DE102007032498B4

DE102007032498B4 - Sicherungsvorrichtung für eine Motorspindel

Info

Publication number: DE102007032498B4
Application number: DE102007032498.9A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Jakob
Original assignee: Jakob Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Jakob Antriebstechnik GmbH
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: JP2009018413A; US20090018001A1; DE102007032498A1; US8132991B2

Abstract

Sicherungsvorrichtung für eine in einem Gehäuse (2) angeordnete Motorspindel (1), insbesondere von Werkzeugmaschinen, mit einem mit der Motorspindel (1) fest verbundenen Innenring (6) und einem mit dem Gehäuse (2) verbundenen Außenring (7), wobei der Innenring (6) axial verschiebbar in dem Außenring (7) angeordnet und durch Vorspannelemente (8) in Axialrichtung elastisch federnd gegen den Außenring (7) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (6) kippbar in dem Außenring (7) angeordnet ist und dass zwischen dem Innenring (6) und dem Außenring (7) zusätzliche radiale Dämpfungselemente (20, 22) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung für eine in einem Gehäuse angeordnete Motorspindel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Arbeitsspindeln vieler Werkzeugmaschinen (vor allem Fräs- und Schleifspindeln aber auch angetriebene Werkzeugachsen an Drehmaschinen usw.) werden heute vielfach als Motorspindeln ausgeführt. Bei diesen sind die eigentliche Arbeitsspindel mit der Lagerung und dem elektrischen Antrieb sowie die Werkzeugaufnahme mit Spannsystem und Löseeinheit, interner Schmiermittelzuführung, Kühlung usw. zu einer kompakten Antriebseinheit zusammengefasst, die am Vorschubschlitten der Werkzeugmaschine angeschraubt oder festgeklemmt wird. Infolge des querkraft- und torsionsspielfreien Antriebes weisen die Motorspindeln gegenüber konventionellen Lösungen mit externem Antrieb über Kupplungen, Riemen oder Zahnräder den Vorteil einer größeren Laufruhe und geringerer Laufabweichungen auf und haben wegen der geringeren rotierenden Massen außerdem kürzere Hochlauf- und Bremszeiten, wodurch die erzielbare Oberflächengüte der Werkstücke bei gleichzeitig geringeren Hauptzeiten verbessert werden kann. Aufgrund der hohen Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungen ergibt sich durch die Masse der Spindel und des Vorschubschlittens eine kinetische Energie, die wesentlich höher ist als die Kraft aus dem Vorschubantrieb und auch nicht über eine Sicherheitskupplung an der Vorschubachse weggeschaltet werden kann. Daher müssen besondere Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz der Motorspindeln gegen Auffahrschäden oder dgl. getroffen werden. Besonders die hochgenauen Hochleistungs-Spindellager können bei einer durch Bedien- oder Programmierfehler bedingten Kollision sehr schnell Schäden davontragen, was mit erheblichen Reparaturkosten sowie längeren Maschinen-Stillstandszeiten für den Ausbau der Motorspindel und den Einbau einer vorrätig zu haltenden Ersatzspindel verbunden ist.
Aus der EP 1 398 110 A1 ist eine Sicherungsvorrichtung für eine in einem Gehäuse angeordnete Motorspindel mit einem mit der Motorspindel fest verbundenen Innenring und einem mit dem Gehäuse verbundenen Außenring bekannt. Bei dieser bekannten Sicherungsvorrichtung ist der Innenring axial verschiebbar gegenüber dem Außenring angeordnet und durch eine ringförmige Stauchvorrichtung elastisch federnd gegen den Außenring vorgespannt. Allerdings kann sich die Motorspindel nur in Richtung ihrer Längsachse bewegen und ist daher nicht ausreichend gegen seitliche bzw. schräge Kollisionen geschützt.
In der DE 102 57 610 B3 ist eine Motorspindel offenbart, bei der die mit einer Klemmeinrichtung versehene Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine über ein als Festlager ausgeführtes Lager innerhalb eines Spindelgehäuses drehbar gelagert ist. Der Rotor des innerhalb des Gehäuses angeordneten Antriebsmotors ist unmittelbar auf der Arbeitsspindel angebracht. Allerdings sind hier weder die gesamte Motorspindel noch die mit der Klemmeinrichtung versehene Arbeitspindel axial verschiebbar und kippbar innerhalb eines Gehäuses angeordnet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sicherungsvorrichtung für eine Motorspindel zu schaffen, die nicht nur eine axiale Verschiebung, sondern auch eine Kippbewegung der Motorspindel bei seitlicher Belastung zulässt und ein Wiedereinrücken in die Ausgangslage mit möglichst geringem Aufwand im eingebauten Zustand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Sicherungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung besteht aus einem mit der Motorspindel fest verbundenen Innenring und einem mit dem Gehäuse verbundenen Außenring. Unter Gehäuse wird jedes geeignete Aufnahmeteil für die Motorspindel, wie z. B. der Vorschubschlitten oder auch das Maschinengestell einer Werkzeugmaschine und dgl. verstanden. Die Außenkontur des Außenrings muss daher auch nicht zwangläufig rund sein, sondern kann an die jeweilige Maschine angepasst sein. Der Innenring ist axial verschiebbar und kippbar in dem Außenring angeordnet und wird durch Vorspannelemente in Axialrichtung elastisch federnd gegen den Außenring vorgespannt. Durch die Vorspannelemente wird der Innenring mit einer vorgegeben Vorspannkraft innerhalb des Außenrings gehalten und damit die Motorspindel gegenüber dem Gehäuse fixiert. Die über die Vorspannelemente vorgegebene Vorspannung ist derart festgelegt, dass sich der Innenring bei der im Betrieb üblichen, gebrauchsgemäßen Belastung nicht gegenüber dem Außenring bewegt. Diese Vorspannung kann je nach Verwendungszweck und Ausführung der Werkzeugmaschine unterschiedlich sein. Wenn jedoch die auf Motorspindel wirkende Kraft z. B. im Falle einer Kollision den durch die Vorspannelemente vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, kann die Motorspindel durch eine Bewegung des Innenrings ausweichen, wobei nicht nur eine Axialverschiebung, sondern auch eine Kippbewegung der Motorspindel bei lateral bzw. schräg zur Spindelachse angreifenden Kräften möglich ist. Dadurch wird die Motorspindel auch bei Kollisionen mit schräg zur Mittelachse wirkenden Kräften optimal vor Beschädigungen geschützt. Außerdem bewirkt die Verschiebung des Innenrings gegenüber dem Außenring eine Erhöhung der Vorspannung durch die elastisch federnden Vorspannelemente, wodurch die kinetische Energie aus der Vorschubbewegung abgebaut wird und eine Bremswirkung entsteht. Eine Relativbewegung zwischen dem Innen- und Außenring kann durch einen geeigneten Sensor erfasst und als Signal zur Abschaltung des Vorschubantriebs verwendet werden. Zur Verbesserung der Dämpfung und zur Vermeidung von Schwingungen sind zwischen dem Innenring und dem Außenring zusätzliche radiale Dämpfungselemente angeordnet sein. Durch diese zusätzlichen Dämpfungselemente kann die Reibung zwischen dem Innen- und Außenring definiert erhöht werden, um ggf. die durch Bearbeitungskräfte oder durch die Beschleunigung erzeugten Schwingungen zu unterdrücken. Die Dämpfungselemente können z. B. aus mehreren durch Federn beaufschlagten radialen Sperrkörpern bestehen, die zweckmäßigerweise im mehreren über den Umfang des Innenrings verteilten radialen Bohrungen verschiebbar geführt und zum Eingriff in Vertiefungen des Außenrings bestimmt sind. Erst bei Überschreiten einer Schwellenkraft werden die Sperrkörper gegen die Kraft der Federn eingedrückt, wodurch der Innenring ausrücken kann. Auch hier ist entweder ein gleichzeitiges Ausrücken aller Sperrkörper aus den Vertiefungen oder auch nur ein teilweises Ausrücken zum Kippen der Motorspindel möglich. Die Sperrkörper können auch dazu dienen, das Drehmoment der Motorspindel gegenüber dem Gehäuse abzustützen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung besteht darin, dass sich die Motorspindel nach einer kollisionsbedingten Verschiebung wieder selbsttätig in ihre Ausgangslage bewegen kann. Nach einer eventuellen Kollision wird der Innenring durch die elastisch federnden Vorspannelemente wieder automatisch in seine ursprüngliche Stellung verschoben, so dass keine aufwändige Demontage und Nachjustierung erforderlich ist.
Die Vorspannelemente können zweckmäßigerweise als Druckfedern ausgeführt sein, durch die der Innenring mit einer Stirnfläche gegen eine ringförmige Auflagefläche des Außenrings gedrückt wird. Die Vorspannelemente können aber auch als gummielastische Druckkörper oder als hydraulische bzw. pneumatische Druckpolster und dgl. ausgeführt sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Vorspannelemente an dem Außenring und/oder die Dämpfungselemente an dem Innenring über deren Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet, um für jede Kraftrichtung innerhalb der zur Mittelachse (Z-Achse) der Motorspindel senkrechten Ebene (innerhalb der X/Y-Ebene) das gleiche Ausrückmoment zu erhalten. Durch asymmetrische Anordnung kann jedoch auch bewusst ein differenziertes Ausrückverhalten (in der X- und Y-Richtung unterschiedlich) erreicht werden, falls dies aufgrund der Bauart der Werkzeugmaschine erforderlich ist.
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, die einen Teil einer Motorspindel mit einem Ausführungsbeispiel einer Sicherungsvorrichtung zeigt.
Die in 1 schematisch dargestellte Motorspindel 1 ist in einem Gehäuse 2 einer Werkzeugmaschine oder dgl. angeordnet. Diese Gehäuse 2 kann z. B. Teil eines Vorschubschlittens, ein Maschinengestell oder ein sonstiges Teil einer Werkzeugmaschine sein. Die Motorspindel 1 enthält ein Spindelgehäuse 3, in dem eine Arbeitsspindel 4 über nicht dargestellte Lager um eine Mittelachse 5 drehbar gelagert ist. Die Motorspindel 1 weist in an sich bekannter Weise auch einen im Spindelgehäuse 3 angeordneten Antriebsmotor, eine integrierte Spanneinrichtung mit Löseeinheit, eine interne Schmiermittelzuführung, eine Kühlung usw. auf und bildet damit ein komplettes Antriebsaggregat, das vor allem an Fräs- oder Schleifmaschinen als Antriebseinheit für die Werkzeuge aber auch für angetriebene Werkzeugachsen an Drehmaschinen usw. eingesetzt wird.
Die Motorspindel 1 wird innerhalb des Gehäuses 2 durch einen mit der Motorspindel 1 fest verbundenen Innenring 6 und einen im Gehäuse 2 fest angeordneten Außenring 7 gehalten. Der Innenring 6 ist axial verschiebbar und kippbar in dem Außenring 7 angeordnet und ist durch Vorspannelemente 8 in Axialrichtung elastisch federnd gegen den Außenring 7 vorgespannt. Durch den Innen- und Außenring wird eine Schnittstelle zwischen der Werkzeugmaschine und der Motorsspindel geschaffen, die zum Schutz der Motorspindel vor Auffahrschäden dient.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Innenring 6 an seiner Außenseite einen Ringbund 9 auf, der an seiner dem Außenring 7 zugewandten Seite eine zur Mittelachse des Innenrings 6 senkrechte Anlagefläche 10 zur Anlage an einer ringförmigen Auflagefläche 11 an einem inneren Absatz an der einen Seite des Außenrings 7 enthält. An der anderen Seite enthält der Außenring 7 eine schräge Innenfläche 12. Über eine halbkreisförmige Abrundung 13 an der Außenseite des Ringbunds 9 liegt der Innenring 6 außerdem an einer entsprechend abgerundeten Lagerfläche 14 des Außenrings 7 an. Die Vorspannelemente 8 sind hier als Druckfedern ausgeführt, die an dem Außenring 7 über dessen Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die als Druckfedern ausgeführten Vorspannelemente 8 sind zwischen dem Kopf 15 einer im Außenring 7 befestigten Schraube 16 und einer in der Zeichnung linken inneren Stirnfläche 17 des Innenrings 6 eingespannt. Dadurch wird der Innenring 6 über die Vorspannelemente 8 gegen den Außenring 7 gedrückt. Die Schrauben 16 sind in den Außenring 7 in senkrecht zu dessen Auflagefläche 11 verlaufende Gewindebohrungen 18 eingeschraubt. Durch Ein- bzw. Herausschrauben der Schrauben 16 kann so die Vorspannkraft der als Druckfedern ausgeführten Vorspannelemente 8 eingestellt werden.
In dem Innenring 6 sind in dessen Ringbund 9 außerdem mehrere über den Umfang verteilte radiale Bohrungen 19 mit federbeaufschlagten radialen Sperrkörpern 20 vorgesehen. Die bolzenförmigen Sperrkörper 20 weisen ein kugelförmiges freies Ende zum Eingriff in kalottenförmige Vertiefungen 21 des Außenrings 7 auf. Die Sperrkörper 20 sind in den radialen Bohrungen 19 senkrecht zur Mittelachse des Innenrings 6 verschiebbar geführt und werden durch Federn 22 nach außen gedrückt. Über Schrauben 23 werden die Sperrkörper 20 unverlierbar innerhalb der Bohrungen gehalten. Außerdem kann auch hier über die Schrauben die Vorspannung der Rastbolzen verändert werden.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Spindelgehäuse 3 der Motorspindel einen Ringflansch 24 auf, an dem der Innenring 6 angeschraubt werden kann. Der Innenring kann aber z. B. auch auf das Spindelgehäuse aufgeschrumpft oder einteilig mit diesem ausgeführt sein. Der Außenring 7 ist über eine Deckscheibe 25 fest mit dem Gehäuse 2 verbunden. Auch der Außenring 7 kann auf andere Weise mit dem Gehäuse 2 verbunden oder einteilig mit diesem ausgeführt sein.

Claims

Sicherungsvorrichtung für eine in einem Gehäuse (2) angeordnete Motorspindel (1), insbesondere von Werkzeugmaschinen, mit einem mit der Motorspindel (1) fest verbundenen Innenring (6) und einem mit dem Gehäuse (2) verbundenen Außenring (7), wobei der Innenring (6) axial verschiebbar in dem Außenring (7) angeordnet und durch Vorspannelemente (8) in Axialrichtung elastisch federnd gegen den Außenring (7) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (6) kippbar in dem Außenring (7) angeordnet ist und dass zwischen dem Innenring (6) und dem Außenring (7) zusätzliche radiale Dämpfungselemente (20, 22) angeordnet sind.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (8) an dem Außenring (7) über dessen Umfang verteilt angeordnet sind.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (8) als Druckfedern ausgeführt sind, durch die der Innenring (6) mit einer Anlagefläche (10) gegen eine ringförmige Auflagefläche (11) des Außenrings (7) gedrückt wird.
Sicherungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (8) jeweils zwischen dem Kopf (15) einer im Außenring (7) befestigten Schraube (16) und einer inneren Stirnfläche (17) des Innenrings (6) eingespannt sind.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (6) an seiner Außenseite einen Ringbund (9) enthält, der an seiner dem Außenring (7) zugewandten Seite die Anlagefläche (10) zur Anlage an der ringförmigen Auflagefläche (11) des Außenrings (7) aufweist.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringbund (9) des Innenrings (6) an seiner radialen Außenseite eine halbkreisförmige Abrundung (13) zur Anlage an einer entsprechend abgerundeten Lagerfläche (14) des Außenrings (7) enthält.
Sicherungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungselemente (20, 22) mehrere durch jeweils eine Feder (22) beaufschlagte radiale Sperrkörper (20) sind.
Sicherungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrkörper (20) in mehreren über den Umfang des Innenrings (6) verteilten radialen Bohrungen (19) verschiebbar geführt und zum Eingriff in Vertiefungen (21) des Außenrings (7) ausgebildet sind.
Sicherungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (6) an einem Ringflansch (24) eines Spindelgehäuses (3) der Motorspindel (1) befestigt ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenring (7) über eine Deckscheibe (25) fest mit dem Gehäuse (2) verbunden ist.
Sicherungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannelemente (8) als gummielastische Druckkörper oder als hydraulische bzw. pneumatische Druckpolster ausgeführt sind.